CC BY
84
УДК 681.3.069
Т. В. Хоменко, О. О. Ерёменко
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ ПОИСКОВОГО КОНСТРУИРОВАНИЯ:
СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ И РАЗВИТИЕ СИСТЕМНОЙ ПАРАДИГМЫ
Введение
Быстрое развитие научно-технического прогресса, непрерывное совершенствование технологий привели к развитию контрольно-измерительных систем, основой которых являются датчики, что, в свою очередь, определило создание большего количества разнообразных чувствительных элементов (ЧЭ) систем управления (СУ) - первичных преобразователей информации с высокими эксплуатационными характеристиками.
В настоящее время очевидна динамика производства ЧЭ СУ по таким отраслям промышленности, как машиностроение, транспорт, строительство и т. д. и статика использования ЧЭ СУ в аэрокосмической и военной промышленности, медицине, автомобилестроении, энергетике и т. д. [1]. Сдерживающими факторами использования ЧЭ СУ являются: резкое сокращение сроков их морального старения; ужесточение требований, предъявляемых к эксплуатационным характеристикам ЧЭ СУ, во многих случаях противоречивых. Поэтому при проектировании датчиковой аппаратуры возникает необходимость решения задачи опережающего развития: поиска новых технических решений - физических принципов действия (ФПД) ЧЭ СУ, удовлетворяющих изменяющимся эксплуатационным характеристикам.
Широкое внедрение САПР на начальном этапе разработки ЧЭ СУ - этапе концептуального проектирования - позволяет расширить объем используемых специалистами знаний, увеличить количество прорабатываемых вариантов реализации, сократить время и трудоемкость создания новых изделий за счет выбора наиболее эффективных решений при их моделировании на ЭВМ и, как следствие, уменьшить стоимость изделия.
Постановка задачи
Согласно [2], проектирование, как особый процесс управления, предполагает создание математической модели процесса проектирования, включающей в себя:
— X(*1, *2, к, хп) - входные параметры прибора (измеряемые сигналы);
— V (VI, V2, к, ) - координаты внутренних элементов;
— P(Р1, Р2, к, р7-) - внешние возмущающие факторы;
— Q (#1, #2, к, Цк) - внутренние конструктивные и схемные параметры элементов;
— Т(^, ?2, к, ^) - технические требования;
— У(У1, у2, к, ут) - выходные параметров прибора (показателей качества),
где
Г = F (X, V, Q, P, T)
является вектором выходных параметров - вектором-функцией F остальных векторов.
Вид данной зависимости определяется структурой системы, характером изменения векторов X, V, Q, P, T, принятой методикой проектирования и расчётными соотношениями, по которым определяются конструктивные, схемные и технические параметры. Поэтому автоматизированные системы (АС) концептуального проектирования, базируясь на данной теоретической платформе, предполагают разработку следующих моделей процесса проектирования [3]:
— концептуальной модели проектно-конструкторских задач, обеспечивающей формирование и интеграцию системы знаний рассматриваемых задач;
— инфологической модели проектно-конструкторских задач, обеспечивающей формирование и интеграцию представлений АС, которые инвариантны к программно-техническим средствам ее реализации и адекватны выявленной семантике проектно-конструкторских задач;
— даталогической модели проектно-конструкторских задач, обеспечивающей настройку на выбранные программно-технические средства реализации САПР.
Рассмотрим существующие АС поискового конструирования для выявления как общих аспектов, присущих каждой АС, так и частных аспектов.
Методы и результаты исследования
В настоящее время известен ряд АС поискового конструирования.
Автоматизированная система «Новатор 4.01» - изобретающая программа 3-го поколения [4] решает задачу комплекса вопросов: разработки концепции устройств и технологий различного функционального назначения. Состоит из подсистем изобретательских и аналитических функций, управления базами данных по физическим эффектам (ФЭ) (фонд ФЭ: 1 200 описаний), инженерный справочник, глоссарий - словарь терминов, таблицу свойств объекта и подсистемы поиска.
В режиме «решение проблемы» (всего 2 142) достаточно указать название проблемы, после чего АС находит прямые/обходные решения поставленной проблемы, способы реализации и улучшения найденных решений. Для сокращения списка проблем используется поиск по ключевому слову (термину).
Решения, найденные АС, - это концепции устройств (технологий), представляющие собой новые способы применения известных устройств, что является предметом изобретения. Описание концепции содержит: анимацию работы устройства; относительные достоинства и недостатки устройства; описание ФПД устройства; перечень патентов, в которых описаны основные отличительные признаки устройства; перечень ФЭ, образующих ФПД устройства.
Описание каждого из ФЭ содержит две анимации; текст объяснения; математическую модель; литературные ссылки и ряд других разделов. В описание ФЭ входят: математическая модель, состоящая из расчетной формулы; таблицы со значениями свойств веществ и материалов, необходимых для расчета; пределов изменения параметров, входящих в расчетную формулу; результатов расчета для типичного случая. Используя модели ФЭ, можно построить расчетную модель устройства и оценить значения его показателей.
Найденные АС устройства характеризуются функциональными и общетехническими показателями, такими как надежность, массогабаритные размеры и т. п. Автоматизированная система находит способ улучшить показатели устройства за счет изменения конструкции и режима работы устройства; изменить свойства материала элементов устройства; заменить материалы элементов устройства. Улучшенное устройство характеризуется повышенными конструктивными признаками, которые являются предметом изобретения.
Автоматизированная система «Информационный поиск по физическим эффектам (АИПС ФЭ)» [5] предназначена для централизованного сбора, накопления, хранения информации о ФЭ, организации автоматизированного поиска, выдачи пользователю требуемой информации, находит применение на различных этапах автоматизированного проектирования изделий, в особенности при поиске новых ФПД. Описание ФЭ в АС представляется структурой из трех компонент:
ВХОД (А) ----------► ОБЪЕКТ (В) ----------► ВЫХОД (С),
где вход ФЭ (А) - причина, вызвавшая данный ФЭ; объект ФЭ (В) - конкретная физическая система, где происходит данное физическое явление; выход ФЭ (С) - результат действия причины.
Под объектом (В) понимаются только макроскопические тела. Любой ФЭ может иметь произвольное количество входов, но только один выход.
Режим работы АС с пользователем - диалоговый: формируется предписание по любой компоненте - А, В, С либо по любой их комбинации. Автоматизированная система состоит из подсистемы управления базой данных по ФЭ, включающей в себя фонд ФЭ (1 400 описаний), справки, словарь входов и выходов ФЭ, таблицу свойств объекта и подсистемы поиска.
Описание объекта (В) во входной карте содержит следующие сведения:
Общая структура Физико-химические свойства Специальные характеристики Ограничения
Описания входа (А) и выхода (С) аналогичны и содержат пункты:
Наименование Качественные характеристики Наименование и единицы измерения физических величин
пространственные увеличение
временные уменьшение
специальные изменение и т. п.
В процессе работы задание уточняется, конкретизируются компоненты ФЭ.
Автоматизированная система «Поиск технических решений (САПФИТ)» [6] предназначена для организации ФПД изделия и позволяет пользователю получить фактографическую информацию о ФЭ, входящих в синтезируемые структуры. Под ФПД понимается структура совместных и объединенных ФЭ, обеспечивающих преобразование заданных входных воздействий в заданное выходное.
Синтез ФПД основан на правиле совместимости: два последовательно расположенных ФЭ: Wi = (Л-, Bi, Ci) и Wi+1 = (Л-+1, Bi+1, Ci+1) считаются совместимыми, если результат воздействия предыдущего ФЭ (выход ) эквивалентен входному воздействию последующего ФЭ (Л-+1), где понятие эквивалентности имеет следующий смысл:
Совпадает Характер выхода С- Наименование выхода С Качественные характеристики выхода Сі
Характер входа Л-+1 Наименование входа Лі+1 Качественные характеристики входа Лі+1
В основу структуры описания ФЭ положены такие требования, как включение минимально необходимой для решения научно-технических задач информации; использование известных фондов ФЭ; возможность расширения объема информации в структуре описания; автоматизации процесса обработки информации, что позволяет рассматривать структуру описания ФЭ как универсальную, не зависящую от проблемной ориентации задач.
Формирование задания на синтез ФПД - диалоговое и содержит следующие компоненты:
Входное воздействие (вход) Реакция объекта на входное воздействие (выход) Ограничения по числу ФЭ, определяющие длину цепочек ФПД Ограничения по объектам
Синтез изделия производится автоматически (согласно заданию и условию совместимости ФЭ) и сопровождается указанием наиболее эффективных примеров использования ФЭ в технических устройствах. Варианты сочетаний ФЭ являются простейшими альтернативными вариантами технической реализации ФЭ в виде той или иной конструктивной схемы. Для конкретных технических реализаций ФЭ приводятся сведения, характеризующие количественные связи между входом и выходом.
Автоматизированная система поиска новых технических решений «Интеллект» [7] имеет три основных режима работы: синтез технических решений; просмотр содержимого банка данных; проработка идей. Исходная информация представляет собой совокупность данных, организованных в виде отдельных графических и текстовых файлов.
Информация о ФЭ компонуется в виде паспортов, содержащих систематизированные экспертные и фактографические сведения: название эффекта; формула ФЭ и формула коэффициента зависимости; элементарная параметрическая схема - структура ФЭ; морфологическая таблица со значениями эксплуатационных характеристик; физические формулы, описания обозначений в формулах, описание особенностей ФЭ, графическое приложение и литература; авторство разработчика паспорта. База данных включает в себя 1 200 ФЭ. Каждому ФЭ приписаны фиксированные эксплуатационные характеристики: чувствительность; диапазон; надежность; нелинейность; относительная погрешность; быстродействие; экологичность; цена; вес. Эксплуатационные характеристики ФЭ являются численными, считаются независимыми и определяются группой экспертов.
Поиск новых технических решений выполняется в три этапа:
1-й - автоматическая генерация вариантов ФПД по информации об элементарных параметрических схемах ФЭ;
2-й - автоматизированный подбор конструктивных реализаций каждого элемента выбранного ФПД по морфологической матрице;
3-й - улучшение полученной конструктивной реализации на основе информации в базе данных об обобщенных приемах.
На этапе синтеза ФПД для последовательного и параллельного соединения эксплуатационные характеристики вычисляются как элементарные функции от совокупности индивидуальных характеристик ФЭ. Для синтеза конструктивной реализации АС использует морфологические признаки. Далее конструктор самостоятельно перебирает варианты с целью отбора наилучшего: вручную либо оптимизирует конструкцию, либо подбирает вариант с заданными значениями эксплуатационных характеристик. Система при этом не производит никакого анализа и автоматизированного выбора эффективных вариантов.
Анализ возможностей АС поискового конструирования позволяет построить их функциональные модели (рис.).
АС «Новатор 4.01»
Знания
экспертов
і
Структура
описания
ФЭ
Описание
проблемы
Параметры
проблемы
Формирование Синтез Вариант
описаний ФЭ Описание ФПД Возможные концепций ФПД Концепция
ФЭ варианты решения
ФПД
АС «АИПС ФЭ»
Качественные
характеристики
Наименование и единицы измерения физических величин
Знания
экспертов
Критерий
ограничений
Формирование
входных карт ФЭ Синтез ФПД
Входные Возможные
карты ФЭ варианты
ФПД
АС «САПФИТ»
экспертов
карты ФЭ
варианты
ФПД
экспертов
АС «Интеллект»
ФТЭ
варианты
ФПД
вариантов
ФПД
Функциональные модели различных АС
Очевидно, что существует инвариантная составляющая, присущая всем АС поискового конструирования, и вариативная составляющая, присущая одной из АС поискового конструирования по каждой модели процесса проектирования (табл. 1).
Таблица 1
АС поискового конструирования
Инвариантная составляющая Вариативная составляющая
Концептуальная модель Реализуются три первых этапа системного анализа: постановка задачи, формирование описания системы, поиск альтернатив АС «Новатор 4.01» частично реализует четвёртый этап системного анализа: выбор наилучших решений, не реализуя пятый этап: оценка реализации решений. АС «Интеллект» реализует четвёртый и пятый этап системного анализа: выбор наилучших решений, оценка реализации решений
Инфологическая модель Компоненты входных данных X(хі, %2, ...,хп) представлены в виде базы ФЭ, уровень подготовки которых носит либо вербальный характер, либо формализованный. Компоненты исходных данных 2(<?1, #2, •••, #к) представлены в виде ФПД изделия, что является результатом синтеза ФЭ, согласно V(Уі, У2, ..., у), Р(рі, р2,..., р$), и представляется в виде цепочки последовательно совместимых ФЭ АС «Новатор 4.01» предполагает получение лучшего решения У(у1, у2,..., ут), однако не предполагает получения множества решений для последующего выбора наилучшего. АС «Интеллект» предполагает получение множества решений для последующего выбора наилучшего, по фиксированным эксплуатационным характеристикам Т(^, ?2, к., te), приписанным всем ФЭ
Даталогическая модель Работа АС основана на использовании базы знаний, содержащей фактические данные и законы из предметной области. База знаний обеспечивает выполнение функций: хранение, пополнение, просмотр, выборку, корректировку информации о ФЭ, синтез различных вариантов ФПД База знаний АС «Новатор 4.01» обеспечивает выполнение функций: автоматизированный анализ полученных решений. База знаний АС «Интеллект» обеспечивает выполнение функций: автоматизированный анализ полученных решений, отбор перспективных вариантов для дальнейшей проработки
Результат анализа вариативной составляющей АС поискового конструирования по каждой модели процесса проектирования представлен в табл. 2.
Таблица 2
Свойства системы «Новатор 4.01» «АИПС ФЭ» «САПФИТ» «Интеллект»
Универсальная или специализированная Универсальная Специализированная Специализированная Специализирован- ная
Автоматизированный синтез ФПД Есть Есть Есть Есть
Наличие в базе знаний критерия оценивания технического решения Нет Нет Нет Есть
Расчет критерия оценивания технического решения Нет Нет Нет Есть
Автоматизированный отбор вариантов технического решения Есть Нет Нет Есть
Отбор эффективных вариантов технического решения по критерию оценивания Нет Нет Нет Есть
Очевидно, что ни одна из АС не обладает полным набором свойств в широком смысле. Автоматизированная система «Интеллект» обладает наибольшим количеством возможностей по поиску новых технических решений, но, тем не менее, и у неё есть ряд недостатков:
— применение в узкоспециализированной области;
— не обоснован выбор эксплуатационных характеристик ФЭ, выступающих в совокупности как критерий оценивания;
— не исследована взаимосвязь выбранных компонентов критерия оценивания технического решения;
— не реализована процедура отбора наилучших вариантов на трудноформализуемых этапах проектирования, по компонентам критерия оценивания имеющих нечёткий характер.
Автоматизированные системы концептуального проектирования, основанные только на инвариантной составляющей, реализуют не полный цикл проектирования ТО с точки зрения системного анализа. Интеграция вариативной составляющей по каждой модели процесса проектирования на платформу АС, базирующейся на инвариантной составляющей, позволила бы расширить возможности АС, и, как следствие, повысить эффективность поиска новых технических решений и тем самым решить задачу опережающего развития.
Заключение
В настоящее время, в целях создания единого пространства знаний как системы для последующего импортирования в подсистемы, для каждого системного подхода АС поискового конструирования ЧЭ СУ разрабатываются онтологии. Это позволит на последующем уровне абстрагирования описать онтологию системных подходов в предположении, что следующим уровнем абстракции будут являться общие категории структур знаний.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Соколов Л. В., Школьников В. М. О техническом уровне современных интегральных датчиков давления для авиационных информационно-измерительных систем (ИИС) // Датчики и системы. - 2001. -№ 4. - С. 26-29.
2. Боднер В. А., Алферов А. В. Измерительные приборы (теория, расчёт, проектирование): учеб. пособие / ВолгГТУ: в 2 т. - М.: Изд-во стандартов, 1986.
3. Инструментальные средства поддержки процессов анализа и концептуального моделирования корпоративных информационных систем «Журналы по качеству» / Л. М. Червяков, Г. Д. Волкова, М. В. Щукин, Н. А. Бычкова / http://www.quality-jomal.ru: Дата публикации: 07-Дек-2003.
4. Экспертная система «Новатор и Эдисон» / В. Н. Глазунов и др.: инструкция пользователя, версия 4. -М., 1991. - 123 с.
5. Физические явления из материалов заявок на открытия по физике / В. А. Камаев, С. А. Фоменков, М. Б. Сипливая, С. Г. Колесников: учеб. пособие / ВолгГТУ. - Волгоград, 1995. - 224 с.
6. Фоменков С. А., Гришин В. А., Карачунова Г. А. Автоматизированная система поиска физических принципов действия изделий и технологий (САПФИТ). - Волгоград. Деп. в ВИНИТИ, 1990, 1944-В.
7. Зарипов М. Ф., Петрова И. Ю. Предметно-ориентированная среда для поиска новых технических решений «Интеллект» / IV Санкт-Петербургская междунар. конф. «РИ-95». - СПб., 1995. - С. 60-61.
Статья поступила в редакцию 21.01.2010
AUTOMATED SYSTEMS FOR SEARCH DESIGNING:
SYSTEM ANALYSIS AND DEVELOPMENT OF A SYSTEM PARADIGM
T. V. Khomenko, O. O. Eremenko
The analysis of automated systems for search designing has allowed the following: 1. To construct functional models of considered automated systems for search designing. 2. To reveal the existence of an invariant component, inherent to the considered automated systems for search designing, and a variable component, inherent to one automated system for search designing on each model of designing process: a conceptual model, an infological model, a datalogical model. 3. To analyse a variable component of the automated system for search designing on each model of designing process. 4. To draw a conclusion: the automated systems of conceptual designing based only on an invariant component, realize not a full cycle of designing of a technical object from the point of view of the system analysis. The integration of the variable component on each model of designing process on a platform of the automated system, based on an invariant component, would allow to expand its possibilities, and as consequence to raise the efficiency of search of new technical decisions, thereby to solve
the problem of advancing development. Nowadays, ontologies are developed for each system approach of the automated system for search designing of sensitive elements of control systems in order to create a single space of knowledge as a system, and the subsequent importation in subsystems. At the next level of abstraction it will allow to describe the ontology of system approaches, in the assumption that the following level of abstraction will be general categories of knowledge structures.
Key words: system approach, automated systems for search designing, sensitive elements of control systems, physical effect, physical principle of action, ontology of system approaches, general categories, knowledge structures.
